EP3812646A1 - Drucktank, system zum überwachen eines drucktanks und kraftfahrzeug - Google Patents

Drucktank, system zum überwachen eines drucktanks und kraftfahrzeug Download PDF

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EP3812646A1
EP3812646A1 EP20198446.5A EP20198446A EP3812646A1 EP 3812646 A1 EP3812646 A1 EP 3812646A1 EP 20198446 A EP20198446 A EP 20198446A EP 3812646 A1 EP3812646 A1 EP 3812646A1
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EP
European Patent Office
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base body
sensor device
pressure tank
compensation layer
layer
Prior art date
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EP20198446.5A
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English (en)
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Markus Thurmeier
Johann Berger
Bernd Mlekusch
Michael Fischlschweiger
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Audi AG
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Audi AG
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a pressure tank, which is designed to store a compressed fuel, with a base body through which a container for receiving the fuel is formed. At least one sensor device comprising at least one electrical conductor is used to detect at least one variable which allows conclusions to be drawn about a state of the base body.
  • the invention also relates to a system for monitoring a pressure tank and a motor vehicle.
  • the DE 10 2014 100 551 A1 describes a method for the detection of a liner bulging in a storage system for pressurized gas.
  • the pressurized gas storage system includes an outer shell with an inner surface and an outer surface. The inner surface defines an inner volume for receiving the pressurized gas.
  • a first electrically conductive layer is attached to the outer shell.
  • a second electrically conductive layer is attached to an inner liner of the outer shell.
  • a capacitance measuring device measures the capacitance between the first and the second electrically conductive layer.
  • a bulge in the storage system is to be determined here on the basis of a change in the capacity.
  • the EP 2 780 664 B1 a strain sensor for curved surfaces comprising an optical fiber with a fiber Bragg grating.
  • DE 100 04 384 C2 describes an arrangement for detecting strains with a cover layer applied to a carrier, in which an optical sensor with an optical fiber is embedded.
  • Pressure tanks such as gas bottles for storing a compressed fuel, for example for storing hydrogen, can in particular have a base body designed to hold the fuel, which is formed by a fiber composite material such as a fiber composite plastic (FRP).
  • a base body can be equipped with a strain gauge or electronics printed on a fleece in order to detect or measure expansion and damage in the fiber composite laminate and to determine the working loads of the pressure tank during operation.
  • a sensor such as the strain gauge can be laminated into the fiber composite laminate in order to be able to measure mechanical stresses in the interior of the container, which is formed by the base body. This is done in the case of pressure tanks or gas bottles, in particular hydrogen bottles, so that it can be determined at any time what state the gas bottle is in. This is intended to create the possibility of being able to react promptly in the event of overpressure or a leak, for example.
  • the manufacture of pressure tanks or gas cylinders from a fiber-reinforced plastic is significantly more complex than the manufacture of standard components from fiber-reinforced plastic. This is due to the fact that in the production of a base body of a pressure tank made of fiber composite plastic, the individual layers of the fiber composite material are wound. This winding of layers of, for example, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) or glass fiber reinforced plastics (GFRP) makes it very difficult to insert sensors such as strain gauges or electronics printed on a fleece into the base body.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • GFRP glass fiber reinforced plastics
  • the electronics react very critically to high pressure and temperature as well as other process parameters such as those that occur in the manufacture of a pressure tank made of fiber-reinforced plastic. This in turn can lead to the electronics being used after all, it is not possible to record measured values with the desired accuracy or even that no measurement can take place at all.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • a capacitive sensor to an outside of the base body.
  • a sensor comprising, for example, two film-like electrodes, only effects of pressures that act on the base body from the outside can be detected and no changes in the pressure prevailing inside the base body or a temperature prevailing inside the base body.
  • pressure tanks in particular, in which the base body is formed from fiber-reinforced plastic, but also pressure tanks formed, for example, from metal have unevenness.
  • the pressure tank formed from metal such unevenness or irregularities occur on the outer surface, for example in the area of weld seams and the like.
  • elevations occur at points with a high fiber content and at points with a high matrix content, respectively Resin content so-called sink marks. These elevations and sink marks lead to a wavy or irregular surface on the outside of the base body.
  • the object of the present invention is to create a pressure tank of the type mentioned at the beginning, which enables an improved detection of a state of the base body, as well as to specify a corresponding system for monitoring a pressure tank and a motor vehicle with such a pressure tank.
  • the pressure tank according to the invention which can be provided in particular for use in a motor vehicle, is designed to store a compressed fuel.
  • a container for receiving the fuel is formed by a base body of the pressure tank.
  • the pressure tank has at least one sensor device for detecting at least one Size, wherein the at least one size allows a conclusion to a state of the base body.
  • the at least one sensor device comprises at least one electrical conductor.
  • a compensation layer is arranged between the at least one sensor device and an outside of the base body. The compensating layer is designed to compensate for the unevenness at least in the area of the at least one sensor device when there is unevenness on the outside of the base body.
  • the compensation layer ensures that the at least one sensor device is in contact with a less wavy or less irregular surface than would be the case if the at least one sensor device were attached directly to the outside of the base body. Due to the associated flat contact of the at least one sensor device on the compensating layer, it is achieved that changes in the state of the base body can be better detected.
  • changes in the state of the base body can be detected which are based on changes in a state of the compressed fuel in the interior of the container formed by the base body.
  • changes in the state of the base body can also be detected, which result from external influences such as, for example, a particularly local, pressurization of the base body or a similar load. As a result, improved detection of the state of the base body is made possible.
  • the pressure tank or pressure vessel can also be designed to store media other than compressed fuel, for example to store at least one gas, for example compressed air, and / or at least one liquid which is under a higher pressure than ambient pressure in the pressure tank.
  • media other than compressed fuel for example to store at least one gas, for example compressed air, and / or at least one liquid which is under a higher pressure than ambient pressure in the pressure tank.
  • the compensation layer and the at least one sensor device arranged on the outside of the compensation layer can be attached to the base body over a comparatively large area with very little effort. It is therefore not necessary, as when attaching strain gauges to the outside of the base body, to use a large number of strain gauges in order to be able to detect changes in as many areas of the base body as possible. Rather, large areas of the base body, in particular the entire base body, can also be measured very easily by means of the at least one sensor device. In comparison, when a strain gauge is attached, it is only possible to detect the at least one variable in a locally very limited area, which allows conclusions to be drawn about the state of the base body.
  • the compensation layer or boundary layer also serves to compensate for tolerances on the outside or the outside surface of the base body and the at least one sensor device.
  • polishing or smoothing of the outside of the base body can thus be dispensed with.
  • the compensating layer provides a particularly smooth or regular surface as a base for the at least one sensor device.
  • the sensor device comprises the at least one electrical conductor
  • coupling to an evaluation device which is designed to evaluate at least one electrical variable for the purpose of inferring the state of the base body, is also possible in a particularly simple manner.
  • a warning or the like can be output at an early stage when a state of the base body which indicates a fault or damage is detected.
  • measures such as reducing the pressure of the fuel in the container can be taken in good time in order, for example, to avoid an accident or a bursting of the base body.
  • the at least one sensor device can in particular be designed as a film to which the at least one electrical conductor is applied, in particular by printing.
  • a film can be provided very easily with the desired dimensions, which enable the state of the base body to be detected in a large area of the same.
  • the compensation layer preferably has a greater thickness than the at least one sensor device. This also makes it possible to compensate for larger irregularities or unevenness which can be present or formed on the outside of the base body. And yet the at least one sensor device is not impaired by the presence of such unevenness or irregularities.
  • the compensation layer is preferably anisotropic.
  • a deformation of the compensation layer on a side of the compensation layer facing the base body by a first amount causes the compensation layer on a side of the compensation layer facing the at least one sensor device to be deformed by a second amount which is greater than the first amount.
  • the compensation layer can bring about an intensification of the change in the base body to be detected by means of the at least one sensor device. In this way, even very small changes in the state of the base body can be detected even with a comparatively less sensitive sensor device.
  • the compensation layer can comprise a polymer matrix with directional fillers, so that the compensation layer has the anisotropic properties.
  • the anisotropy of the compensation layer can be brought about in that the compensation layer is formed from a material with oriented molecules, or in that the compensation layer comprises a stretched plastic or is formed from at least one stretched plastic.
  • a main direction of the deformation of the compensation layer by the first amount differs from a main direction of the deformation of the compensation layer by the second amount.
  • a main extension direction of the base body can be at an angle greater than zero to a main extension direction, which is detected by means of the at least one sensor device. In this way, there is particularly great freedom when attaching the at least one sensor device to the compensation layer.
  • the at least one sensor device preferably has a protective layer made of an electrically insulating material on an upper side of the sensor device facing away from the base body.
  • a protective layer made of an electrically insulating material provides protection against mechanical damage to the at least one electrical conductor. Consequently, the at least one sensor device is particularly robust, and it can be done over a particularly long period of time by means of the sensor device a largely undisturbed detection of the at least one variable can be achieved.
  • the compensation layer is preferably designed as a carrier material for the at least one sensor device.
  • the carrier material causes a composite comprising the compensation layer and the at least one sensor device to adhere to the outside of the base body. It is then possible to dispense with the provision of an additional adhesion promoter or adhesive for attaching the leveling layer to the outside of the base body. This makes attaching the composite to the outside of the base body particularly inexpensive.
  • the composite which comprises the compensating layer serving as carrier material and the at least one sensor device, can be handled more easily than the at least one sensor device alone.
  • the compensating layer can thus in particular have the function that, due to the compensating layer, optimum and permanent adhesion of the at least one sensor device to the outside of the base body is brought about.
  • the compensation layer has different surface properties on its side facing the base body than on its side facing the at least one sensor device.
  • the respective side i.e. the surface facing the base body and the surface facing the at least one sensor device, can have a texture that is necessary for good adhesion of the compensating layer to the outside of the base body on the one hand and for good adhesion of the at least one sensor device to the side the compensating layer which faces the at least one sensor device.
  • the compensating layer can be matched in particular to the material of the base body on the one hand and the material of the sensor device on the other hand, in particular with regard to it on the adherence to the respective material. A very good connection between the sensor device and the base body can thus be ensured by the compensating layer.
  • the composite which comprises the compensation layer and the at least one sensor device, can be arranged over the entire surface on the outside of the base body, that is to say cover the outside of the base body at least almost over the entire surface or completely.
  • a composite comprising the compensation layer and the at least one sensor device is also suitable, which is attached only to a partial area of the outside of the base body.
  • a composite comprising the compensation layer and the at least one sensor device is therefore preferably designed as a strip. In this way, a change in the state of the base body can be detected with particularly little effort over a comparatively long partial area of the base body.
  • the strip can run in the longitudinal direction or in the axial direction or run obliquely to the axial direction or longitudinal direction on the outside of the Be arranged base body.
  • the strip runs around the base body in the circumferential direction. This is because a large number of changes in the state of the base body can be recorded in a simple and inexpensive manner. In particular, an expansion of the base body, for example due to an increase in pressure in the interior of the container, can be detected or recorded in a particularly simple manner.
  • the at least one sensor device can have at least one connection for wired tapping of a measurement signal corresponding to the at least one variable. Coupling with an evaluation device can thus be implemented particularly easily and with little effort.
  • the at least one sensor device can have a transmission device for wireless transmission of a measurement signal corresponding to the at least one variable. This eliminates the expense of electrically isolating a connection of the sensor device. Furthermore, in the case of a transmission device designed for wireless transmission of the measurement signal, the expense associated with laying lines is dispensed with.
  • the transmission device can be designed as an RFID chip.
  • the transmission device, in particular the RFID chip or RFID module can very easily be laminated into a material, in particular film material, which has the at least one electrical conductor. Then the transmission device is at the same time well protected from the environment.
  • the transmission device can in particular comprise at least one capacitor and / or at least one conductor loop.
  • the compensation layer preferably has a very low inherent rigidity.
  • the compensation layer can have a tensile strength of a maximum of 3000 MPa.
  • Such a very slightly stiff compensating layer allows changes in the state of the base body, which are based on changes in the state of the fuel contained in the container, to be passed on or forwarded via the compensating layer to the at least one sensor device and thus detected by means of the sensor device.
  • the compensation layer can be formed from plastic, for example from a plastic foam. If the compensating layer is provided by a foam material, in particular by the plastic foam, then larger elevations or bumps can also be made particularly easily Compensate depressions, in particular sink marks or similar unevenness.
  • the unevenness can in particular be formed by weld seams or the like. Such unevenness can easily be leveled out by means of the leveling layer.
  • the base body is formed at least predominantly from fiber-reinforced plastic.
  • the unevenness or irregularities can be formed by sink marks in a matrix material, in particular in a resin, of the fiber-reinforced plastic and / or by elevations at points with a high fiber content. Such irregularities or unevenness can also be easily and reliably compensated for by the leveling layer.
  • the system according to the invention for monitoring a pressure tank comprises at least one pressure tank according to the invention.
  • An evaluation device of the system is provided for evaluating the at least one variable that can be detected by means of the at least one sensor device.
  • the evaluation device can be designed as a control device, in particular as an electronic control device, or the like.
  • The, in particular electronic, evaluation device which is designed to acquire measurement signals from the at least one sensor device, can in particular take into account an anisotropy of the compensation layer. If the compensation layer is formed anisotropically, the measurement signal detected by the sensor device can be converted by means of the evaluation device, for example by using a correlation equation. In this way, for example, a main expansion of the main body in the actually given direction and by the actually given amount can be determined on the basis of the measurement signal. As a result, direct monitoring of the condition of the pressure tank can be carried out very easily.
  • an amount and / or a main direction for example an expansion of the base body
  • a corresponding correlation can be determined when the evaluation device is calibrated. This is preferably done before the system is started up.
  • the motor vehicle according to the invention has at least one pressure tank according to the invention or a system according to the invention.
  • a warning device of the motor vehicle is preferably designed to output a warning as a function of the state of the base body of the at least one pressure tank.
  • a warning device of the motor vehicle is preferably designed to output a warning as a function of the state of the base body of the at least one pressure tank.
  • an early warning can be given, and countermeasures can be taken in good time.
  • the content of the warning can be that too large an amount of fuel has been introduced into the container or that there is an undesirably high level of heat in the container and / or in the vicinity of the pressure tank.
  • a countermeasure can be to cool the pressure tank or move the pressure tank to a cooler environment.
  • fuel can be drained from the pressure tank in order to prevent the pressure tank from bursting.
  • the invention also includes further developments of the system according to the invention and the motor vehicle according to the invention which have features as they have already been described in connection with the further developments of the pressure tank according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the system according to the invention and the motor vehicle according to the invention are not described again here.
  • the motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
  • the invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
  • a basic body 12 designed in the manner of an elongated cylinder is shown in detail and in perspective.
  • the base body 12 is formed from fiber-reinforced plastic.
  • the base body 12 forms a container in which a compressed fuel, for example hydrogen, can be received or stored in a liquid or in a compressed, gaseous state.
  • the pressure tank 10 can, however, also be used to store other compressed fuels, for example to store liquefied petroleum gas (LPG), liquefied natural gas (LNG) or compressed natural gas (CNG).
  • LPG liquefied petroleum gas
  • LNG liquefied natural gas
  • CNG compressed natural gas
  • the pressure tank 10 is equipped with at least one sensor device, as shown by way of example and schematically in FIG Fig. 2 is shown.
  • the sensor device can be designed as a strain gauge 18.
  • the conductor 20 made of an electrically conductive material, which can be applied, in particular printed, to a carrier such as a film 22.
  • a voltage can be applied to the conductor loop formed by the conductor 20 via connections 24, for example.
  • the electrical resistance of the conductor 20 changes so that, depending on the electrical resistance, a conclusion can be drawn that a body on which the strain gauge 18 or such a sensor device is arranged is stretched or compressed.
  • the strain gauge 18 can also have a plurality of such conductors 20.
  • the base body 12 has an outer side 26, that is to say a side facing the surroundings of the pressure tank 10.
  • an inner side 28 of the base body 12 faces the interior space 14 in which the fuel is located after the pressure tank 10 has been filled with the fuel (cf. Fig. 3 ).
  • the base body 12 can be provided on the inside 28 with a lining, not shown in any more detail here, which is also referred to as a liner.
  • changes in the state of the base body 12 can be detected by means of the sensor device, which changes can be traced back to processes in the interior 14 of the pressure tank 10.
  • Such operations may involve changes in pressure and / or Act temperature in the interior 14 of the pressure tank 10, in particular a pressure increase and / or a temperature increase.
  • Such processes can namely lead to an expansion of the base body 12, which can be detected by means of the strain gauge 18.
  • changes in the state of the base body 12 can also be detected which result from influences on the base body 12 from the outside, that is to say from the outside 26.
  • the sensor device in the form of the electrically conductive film 22 in areas is arranged on the outside of the base body 12.
  • the film 22 is not in direct contact with the outside 26.
  • a boundary layer or intermediate layer or compensation layer 30 arranged between the outside 26 of the base body 12 and the film 22 with the electrical conductor 20, through which the at least one sensor device is provided. This can be seen in particular from the enlarged sectional view of a detail of the pressure tank 10 in FIG Fig. 4 well.
  • the compensation layer 30 has a plurality of functions.
  • irregularities or irregularities can be formed on the outside 26 of the base body 12, as shown schematically in FIG Fig. 4 is shown.
  • these unevennesses can be formed by elevations at points where there is a high fiber content, and for example by so-called sink marks or indentations in areas of the fiber-reinforced plastic material in which a high matrix content, i.e. a high proportion of cured resin is present.
  • the presence of such unevenness would make it difficult to bring the film 22 into flat contact with the outside 26 of the base body 12.
  • the compensating layer 30 is designed to deal with unevenness on the outside 26 of the base body 12 or on the outside 26 of the base body 12, at least in the Compensate for the area of the film 22 and thus the sensor device, for example in the form of the strain gauge 18. This ensures that the film 22 lies flat against the compensation layer 30. Any change in the shape of the base body 12 is consequently passed on via the compensating layer 30 to the film 22 of the sensor device, in this case the strain gauge 18.
  • the compensation layer 30 also serves to pass on or transport information about the state of the base body 12. Changes in the shape of the base body 12 which are based on processes in the interior 14 of the pressure tank 10 are passed on or forwarded to the sensor device via the compensation layer 30 .
  • the compensation layer 30 serves as a carrier material for the sensor device.
  • This carrier material causes a composite to adhere to the outside 26 of the base body 12, the composite including the compensating layer 30 and the sensor device.
  • heat is conducted from the interior space 14 to the sensor device via the compensation layer 30. In this way, changes in a temperature in the interior 14 of the pressure tank 10 can also be detected.
  • the layer or film 22, which is electrically conductive in areas due to the provision of the electrical conductor 20, is according to FIG Fig. 4 provided on an upper side 32 facing away from the base body 12 with a protective layer 34 made of an electrically insulating material. This provides mechanical protection for the conductor 20 of the sensor device.
  • the electrically conductive layer in the form of the sensor device is thus glued to the base body 12 of the pressure tank 10 or such a gas cylinder by means of the compensating layer 30. Since the boundary layer or compensating layer 30 serves on the one hand for adhesion and on the other hand The forwarding of influences from the interior of the pressure tank 10 to the foil 22, which is electrically conductive in the area of the conductor 20, allows conclusions to be drawn about the state of the base body 12.
  • the electrically conductive layer in regions in the form of the film 22 having the conductor 20 or such a sensor laminate can be applied over the entire surface to the base body 12. In order to detect deformations of the base body 12, however, it is sufficient to attach such a sensor laminate only to a part of the base body 12, for example in that the composite comprising the compensation layer 30 and the sensor device is designed as a strip.
  • Such a strip can in particular in the circumferential direction, which in Fig. 3 is illustrated by an arrow 36 to revolve around the base body 12.
  • the at least one strip can, however, also extend in the axial direction, which is shown in FIG Fig. 1 illustrated by a further arrow 38, extend along the base body 12.
  • the compensation layer 30 can be adapted to the surface-structured base body 12, for example with regard to adherence to the base body 12, with regard to the size of the unevenness and the like.
  • the boundary layer or compensation layer 30 takes on the task of compensating for tolerances between the surface-structured base body 12 and the at least partially electrically conductive layer in the form of the sensor device.
  • the transfer of expansions of the base body 12 via the boundary layer or compensation layer 30 to the sensor device or the sensor laminate can also be fulfilled well by the compensation layer 30 because the compensation layer 30 preferably has a very low inherent rigidity.
  • the maximum rigidity of the compensation layer 30 can be around 3000 MPa.
  • a system 40 is shown schematically, which comprises an evaluation device 42 in addition to the sensor device.
  • the evaluation device 42 serves to evaluate variables which can be detected by means of the at least one sensor device, for example in the form of the strain gauge 18.
  • Fig. 5 it is only shown schematically how the electrically conductive film 22 in areas is coupled to the evaluation device 42, which is, for example, in the motor vehicle 16 (cf. Fig. 6 ) can be arranged.
  • the evaluation device 42 can be connected to the connections 24 (cf. Fig. 2 ) must be connected via a line.
  • a corresponding transmission device for the wireless transmission of measurement signals can be designed, for example, as an RFID chip 44, which is shown in FIG Fig. 5 is shown schematically. Sensor signals can thus be transmitted wirelessly to the evaluation device 42 or to a higher-level control device of the system 40 via the RFID chip 44.
  • the system 40 can in particular be arranged in the motor vehicle 16.
  • the at least one pressure tank 10 of the system 40, which is located in the motor vehicle 16, can thus be monitored with regard to the state of the base body 12.
  • the motor vehicle 16 can have a warning device 46 which is designed to output a warning as a function of the state of the base body 12 of the pressure tank 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucktank (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welcher zum Speichern eines komprimierten Brennstoffs ausgebildet ist, mit einem Grundkörper (12), durch welchen ein Behältnis zum Aufnehmen des Brennstoffs gebildet ist, und mit wenigstens einer zumindest einen elektrischen Leiter umfassenden Sensoreinrichtung (18) zum Erfassen zumindest einer Größe, welche ein Rückschließen auf einen Zustand des Grundkörpers (12) zulässt. Zwischen der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) und einer Außenseite (26) des Grundkörpers (12) ist eine Ausgleichsschicht (30) angeordnet. Die Ausgleichsschicht (30) ist dazu ausgebildet, bei einem Vorhandensein von Unebenheiten an der Außenseite (26) des Grundkörpers (12) die Unebenheiten zumindest im Bereich der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) auszugleichen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zum Überwachen eines Drucktanks (10) und ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drucktank, welcher zum Speichern eines komprimierten Brennstoffs ausgebildet ist, mit einem Grundkörper, durch welchen ein Behältnis zum Aufnehmen des Brennstoffs gebildet ist. Wenigstens eine zumindest einen elektrischen Leiter umfassende Sensoreinrichtung dient dem Erfassen zumindest einer Größe, welche ein Rückschließen auf einen Zustand des Grundkörpers zulässt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zum Überwachen eines Drucktanks und ein Kraftfahrzeug.
  • Die DE 10 2014 100 551 A1 beschreibt ein Verfahren zur Detektion einer Auskleidungsbeulung in einem Speichersystem für Druckgas. Das Druckgas-Speichersystem umfasst eine äußere Schale mit einer inneren Fläche und einer äußeren Fläche. Die innere Fläche definiert ein inneres Volumen zum Aufnehmen des Druckgases. Eine erste elektrisch leitfähige Schicht ist an der äußeren Schale befestigt. Eine zweite elektrisch leitfähige Schicht ist an einer inneren Auskleidung der äußeren Schale befestigt. Ein Kapazitätsmessgerät misst die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht. Hierbei soll anhand einer Änderung der Kapazität eine Beulung in dem Speichersystem festgestellt werden.
  • Des Weiteren beschreibt die EP 2 780 664 B1 einen Dehnungssensor für gekrümmte Oberflächen, welcher eine optische Faser mit einem Faser-Bragg-Gitter aufweist.
  • Auch die DE 100 04 384 C2 beschreibt eine Anordnung zur Erfassung von Dehnungen mit einer auf einen Träger applizierten Deckschicht, in welche ein optischer Sensor mit einer Lichtleitfaser eingebettet ist.
  • Drucktanks wie etwa Gasflaschen zum Speichern eines komprimierten Brennstoffs, beispielsweise zum Speichern von Wasserstoff, können insbesondere einen zum Aufnehmen des Brennstoffs ausgebildeten Grundkörper aufweisen, welcher durch ein Faserverbundmaterial wie etwa einen Faserverbundkunststoff (FVK) gebildet ist. Ein derartiger Grundkörper kann mit einem Dehnungsmessstreifen oder einer auf ein Vlies gedruckten Elektronik ausgestattet werden, um Dehnungen und Schäden in dem Faserverbund-Laminat zu detektieren beziehungsweise zu messen, und um Gebrauchslasten des Drucktanks im Betrieb zu bestimmen.
  • Ein Sensor wie etwa der Dehnungsmessstreifen kann hierbei in das Faserverbundlaminat einlaminiert werden, um mechanische Spannungen im Inneren des Behältnisses messen zu können, welches durch den Grundkörper gebildet ist. Dies wird bei Drucktanks beziehungsweise Gasflaschen, insbesondere bei Wasserstoffflaschen, vorgenommen, damit jederzeit ermittelt werden kann, in welchem Zustand sich die Gasflasche befindet. Dadurch soll die Möglichkeit geschaffen werden, beispielsweise bei einem Überdruck oder bei einer Leckage zeitnah reagieren zu können.
  • Jedoch ist die Herstellung von Drucktanks oder Gasflaschen aus einem Faserverbundkunststoff deutlich komplexer als die Herstellung von Standardbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff. Dies liegt daran, dass bei der Herstellung eines aus Faserverbundkunststoff hergestellten Grundkörpers eines Drucktanks die einzelnen Lagen des Faserverbundmaterials gewickelt werden. Dieses Wickeln von Lagen aus beispielsweise kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) oder glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) macht das Einbringen von Sensoren wie etwa Dehnungsmessstreifen oder von einer auf ein Vlies gedruckten Elektronik in den Grundkörper sehr schwierig. Denn beispielsweise die Elektronik reagiert sehr kritisch auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur sowie weitere Prozessparameter, wie sie bei der Herstellung eine Drucktanks aus einem Faserverbundkunststoff auftreten. Dies kann wiederum dazu führen, dass sich mittels der Elektronik schließlich nicht mit einer gewünschten Genauigkeit Messwerte erfassen lassen oder dass sogar gar keine Messung stattfinden kann.
  • Darüber hinaus ist ein kontaktloses Auslesen von Messwerten beziehungsweise Messsignalen etwa über einen RFID-Chip (RFID=Radio Frequency Identification, Identifizierung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen) nicht möglich, da ein RFID-Chip nicht in das Material des Grundkörpers einlaminiert werden kann. Es müsste somit beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen oder dergleichen Sensoreinrichtung freigelegt werden, um ein leitungsgebundenes Abgreifen von Messsignalen zu ermöglichen. Dies ist wiederum nachteilig, weil dann insbesondere Feuchtigkeit an freigelegte Bereiche des Dehnungsmessstreifens gelangen kann und auch weitere Beeinträchtigungen des Dehnungsmessstreifens möglich sind. Zudem ist beim Einlaminieren des Dehnungsmessstreifens in den Grundkörper und dem anschließenden Freilegen von Bereichen des Dehnungsmessstreifens in dem Grundkörper eine Störstelle ausgebildet, an welcher der Grundkörper in unerwünschter Art und Weise geschwächt ist. Auch dies ist folglich nachteilig.
  • Des Weiteren ist es zwar prinzipiell möglich, einen kapazitiven Sensor an einer Außenseite des Grundkörpers anzubringen. Mittels eines derartigen, beispielsweise zwei folienartige Elektroden umfassenden Sensors lassen sich jedoch nur Auswirkungen von Drücken erfassen, welche von außen auf den Grundkörper einwirken und keine Veränderungen eines im Inneren des Grundkörpers herrschenden Drucks beziehungsweise einer im Inneren des Grundkörpers herrschenden Temperatur.
  • Zudem weisen insbesondere Drucktanks, bei welchen der Grundkörper aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist, jedoch auch beispielsweise aus Metall gebildete Drucktanks Unebenheiten auf. Bei dem aus Metall gebildeten Drucktank treten solche Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten an der äußeren Oberfläche etwa im Bereich von Schweißnähten und dergleichen auf. Bei einem Drucktank mit aus faserverstärktem Kunststoff gebildetem Grundkörper ergeben sich demgegenüber an Stellen mit einem hohen Faseranteil Erhebungen und an Stellen mit einem hohen Matrixanteil beziehungsweise Harzanteil sogenannte Einfallstellen. Diese Erhebungen und Einfallstellen führen zu einer welligen beziehungsweise unregelmäßigen Oberfläche an der Außenseite des Grundkörpers.
  • Dies führt dazu, dass sich ein kapazitiver Sensor nicht vollständig beziehungsweise nicht vollflächig an den Grundkörper anschmiegen kann. Vielmehr können zwischen dem kapazitiven Sensor und der Oberfläche des Grundkörpers Lufteinschlüsse und dergleichen vorhanden sein. Einerseits können so Messergebnisse verfälscht werden. Andererseits können dadurch bestimmte lokale Veränderungen des Grundkörpers, welche auf einer Dehnung beruhen, gar nicht festgestellt werden. Ein mittels des kapazitiven Sensors erhältliches Messergebnis kann auch dadurch verfälscht sein, dass eine Seite des kapazitiven Sensors starr mit der Oberfläche des Grundkörpers verklebt ist. Folglich sind kapazitive Sensoren zum Erfassen des Zustands des Grundkörpers eines Drucktanks mit erheblichen Schwierigkeiten in der Anwendung behaftet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucktank der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine verbesserte Erfassung eines Zustands des Grundkörpers ermöglicht, sowie ein entsprechendes System zum Überwachen eines Drucktanks und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Drucktank anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Drucktank mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Der erfindungsgemäße Drucktank, welcher insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann, ist zum Speichern eines komprimierten Brennstoffs ausgebildet. Durch einen Grundkörper des Drucktanks ist ein Behältnis zum Aufnehmen des Brennstoffs gebildet. Der Drucktank weist wenigstens eine Sensoreinrichtung zum Erfassen zumindest einer Größe auf, wobei die zumindest eine Größe ein Rückschließen auf einen Zustand des Grundkörpers zulässt. Die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfasst zumindest einen elektrischen Leiter. Zwischen der wenigstens einen Sensoreinrichtung und einer Außenseite des Grundkörpers ist eine Ausgleichsschicht angeordnet. Die Ausgleichsschicht ist dazu ausgebildet, bei einem Vorhandensein von Unebenheiten an der Außenseite des Grundkörpers die Unebenheiten zumindest im Bereich der wenigstens einen Sensoreinrichtung auszugleichen.
  • Mit anderen Worten sorgt die Ausgleichsschicht dafür, dass die wenigstens eine Sensoreinrichtung mit einem weniger welligen beziehungsweise weniger unregelmäßigen Untergrund in Kontakt ist als dies beim Anbringen der wenigstens einen Sensoreinrichtung direkt an der Außenseite des Grundkörpers der Fall wäre. Aufgrund der damit einhergehenden flächigen Anlage der wenigstens einen Sensoreinrichtung an der Ausgleichsschicht wird erreicht, dass Veränderungen des Zustands des Grundkörpers besser erfasst werden können. Es können nämlich einerseits Veränderungen des Zustands des Grundkörpers erfasst werden, welche auf Veränderungen eines Zustands des komprimierten Brennstoffs im Inneren des durch den Grundkörper gebildeten Behältnisses beruhen. Des Weiteren können auch Veränderungen des Zustands des Grundkörpers erfasst werden, welche von äußeren Einflüssen wie etwa einer, insbesondere lokalen, Druckbeaufschlagung des Grundkörpers oder dergleichen Belastung herrühren. Folglich ist eine verbesserte Erfassung des Zustands des Grundkörpers ermöglicht.
  • Eine Innenseite des Grundkörpers ist dann, wenn in dem durch den Grundkörper gebildeten Behältnis der komprimierte Brennstoff enthalten ist, dem Brennstoff zugewandt. Demgegenüber ist die Außenseite des Grundkörpers der Umgebung des Drucktanks zugewandt. Der Drucktank oder Druckbehälter kann auch zum Speichern anderer Medien als einem komprimierten Brennstoff ausgebildet sein, etwa zum Speichern wenigstens eines Gases, beispielsweise von Druckluft, und/oder wenigstens einer Flüssigkeit, welches beziehungsweise welche in dem Drucktank unter einem höheren Druck steht als dem Umgebungsdruck. Auch für derartige Druckbehälter ist die Möglichkeit des Erfassens von Veränderungen des Zustands des Grundkörpers vorteilhaft, welche auf Veränderungen eines Zustands des sich in dem Behältnis befindenden Mediums beruhen.
  • Vorteilhaft ist des Weiteren, dass sich die Ausgleichsschicht und die an der Ausgleichsschicht außenseitig angeordnete wenigstens eine Sensoreinrichtung mit sehr geringem Aufwand vergleichsweise großflächig an dem Grundkörper anbringen lassen. Es brauchen also nicht wie beim Anbringen von Dehnungsmessstreifen an der Außenseite des Grundkörpers sehr viele Dehnungsmessstreifen verwendet zu werden, um in möglichst vielen Bereichen des Grundkörpers Veränderungen erfassen zu können. Vielmehr können sehr einfach auch große Bereiche des Grundkörpers, insbesondere der gesamte Grundkörper, mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung vermessen werden. Im Vergleich dazu ist beim Anbringen eines Dehnungsmessstreifens nur in einem lokal sehr begrenzten Bereich ein Erfassen der zumindest einen Größe möglich, welche das Rückschließen auf den Zustand des Grundkörpers zulässt.
  • Die Ausgleichsschicht oder Grenzschicht dient zudem einem Ausgleichen von Toleranzen der Außenseite beziehungsweise der äußeren Oberfläche des Grundkörpers und der wenigstens einen Sensoreinrichtung. Es brauchen folglich keine aufwendigen Nachbearbeitungsschritte bei der Herstellung des Grundkörpers vorgenommen zu werden, damit die Außenseite des Grundkörpers möglichst frei von Unebenheiten beziehungsweise Unregelmäßigkeiten wie etwa Erhebungen, Vertiefungen und dergleichen ist. Vielmehr wird ein Auffüllen von Vertiefungen und ein Aufnehmen von Erhebungen in entsprechende Einbuchtungen der Ausgleichsschicht durch das Anbringen der Ausgleichsschicht an der Außenseite des Grundkörpers realisiert. Insbesondere kann somit auf ein Polieren oder Glätten der Außenseite des Grundkörpers verzichtet werden. Und dennoch ist durch die Ausgleichsschicht eine besonders glatte beziehungsweise regelmäßige Oberfläche als Unterlage für die wenigstens eine Sensoreinrichtung bereitgestellt.
  • Dadurch, dass die Sensoreinrichtung den zumindest einen elektrischen Leiter umfasst, ist zudem eine Ankopplung an eine Auswerteeinrichtung, welche zum Auswerten wenigstens einer elektrischen Größe zum Zwecke des Rückschließens auf den Zustand des Grundkörpers ausgebildet ist, auf besonders einfache Art und Weise möglich. Insbesondere kann so beim Erfassen eines Zustands des Grundkörpers, welcher auf einen Fehler oder eine Beschädigung hinweist, frühzeitig eine Warnung oder dergleichen ausgegeben werden. Dadurch können rechtzeitig Maßnahmen wie etwa ein Verringern eines Drucks des Brennstoffs in dem Behältnis ergriffen werden, um beispielsweise einen Unfall oder ein Bersten des Grundkörpers zu vermeiden.
  • Die wenigstens eine Sensoreinrichtung kann insbesondere als Folie ausgebildet sein, auf welche der zumindest eine elektrische Leiter, insbesondere durch Drucken, aufgebracht ist. Eine derartige Folie lässt sich sehr einfach mit gewünschten Abmessungen bereitstellen, welche das Erfassen des Zustands des Grundkörpers in einem großflächigen Bereich desselben ermöglicht.
  • Vorzugsweise weist die Ausgleichsschicht eine größere Dicke auf als die wenigstens eine Sensoreinrichtung. Dadurch lassen sich auch größere Unregelmäßigkeiten beziehungsweise Unebenheiten ausgleichen, welche an der Außenseite des Grundkörpers vorhanden beziehungsweise ausgebildet sein können. Und dennoch wird die wenigstens eine Sensoreinrichtung nicht durch das Vorhandensein derartiger Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten beeinträchtigt.
  • Vorzugsweise ist die Ausgleichsschicht anisotrop ausgebildet. Hierbei bewirkt eine Verformung der Ausgleichsschicht auf einer dem Grundkörper zugewandten Seite der Ausgleichschicht um einen ersten Betrag eine Verformung der Ausgleichsschicht auf einer der wenigstens einen Sensoreinrichtung zugewandten Seite der Ausgleichsschicht um einen zweiten Betrag, welcher größer ist als der erste Betrag. Dadurch führt beispielsweise die Einleitung einer Dehnung in die Ausgleichsschicht auf der dem Grundkörper zugewandten Seite zu einer größeren Dehnung auf der Seite der Ausgleichsschicht, welcher der wenigstens einen Sensoreinrichtung zugewandt ist. Folglich kann die Ausgleichsschicht ein Verstärken der mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung zu erfassenden Veränderung des Grundkörpers bewirken. Auf diese Weise lassen sich selbst mit einer vergleichsweise wenig empfindlichen Sensoreinrichtung bereits sehr geringe Veränderungen des Zustands des Grundkörpers erfassen.
  • Beispielsweise kann die Ausgleichsschicht eine Polymermatrix mit gerichteten Füllstoffen umfassen, damit die Ausgleichsschicht die anisotropen Eigenschaften aufweist. Des Weiteren kann die Anisotropie der Ausgleichsschicht dadurch bewirkt sein, dass die Ausgleichsschicht aus einem Material mit gerichteten Molekülen gebildet ist, oder indem die Ausgleichsschicht einen verstreckten Kunststoff umfasst oder aus wenigstens einem verstreckten Kunststoff gebildet ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Hauptrichtung der Verformung der Ausgleichsschicht um den ersten Betrag von einer Hauptrichtung der Verformung der Ausgleichsschicht um den zweiten Betrag verschieden ist. Insbesondere kann eine Hauptdehnungsrichtung des Grundkörpers in einem Winkel größer null zu einer Hauptdehnungsrichtung stehen, welche mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung erfasst wird. Auf diese Weise ist eine besonders große Freiheit bei einem Anbringen der wenigstens einen Sensoreinrichtung an der Ausgleichsschicht gegeben.
  • Vorzugsweise weist die wenigstens eine Sensoreinrichtung an einer dem Grundkörper abgewandten Oberseite der Sensoreinrichtung eine Schutzschicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf. Dadurch ist eine Beeinträchtigung des zumindest einen elektrischen Leiters etwa aufgrund von Korrosion besonders weitgehend vermieden. Zudem ist durch die Schutzschicht aus dem elektrisch isolierenden Material ein Schutz vor einer mechanischen Beschädigung des zumindest einen elektrischen Leiters bereitgestellt. Folglich ist die wenigstens eine Sensoreinrichtung besonders robust, und es kann über einen besonders langen Zeitraum hinweg mittels der Sensoreinrichtung ein weitgehend ungestörtes Erfassen der zumindest einen Größe erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist die Ausgleichsschicht als Trägermaterial für die wenigstens eine Sensoreinrichtung ausgebildet. Hierbei ist durch das Trägermaterial ein Anhaften eines die Ausgleichsschicht und die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfassenden Verbunds an der Außenseite des Grundkörpers bewirkt. Es kann dann auf das Vorsehen eines zusätzlichen Haftvermittlers oder Klebstoffs zum Anbringen der Ausgleichsschicht an der Außenseite des Grundkörpers verzichtet werden. Dies macht das Anbringen des Verbunds an der Außenseite des Grundkörpers besonders aufwandsarm. Zudem lässt sich der Verbund, welcher die als Trägermaterial dienende Ausgleichsschicht und die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfasst, einfacher handhaben als die wenigstens eine Sensoreinrichtung alleine.
  • Die Ausgleichsschicht kann somit insbesondere die Funktion haben, dass aufgrund der Ausgleichsschicht eine optimale und dauerhafte Anhaftung der wenigstens einen Sensoreinrichtung an der Außenseite des Grundkörpers bewirkt ist.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Ausgleichsschicht an ihrer dem Grundkörper zugewandten Seite andere Oberflächeneigenschaften aufweist als an ihrer der wenigstens einen Sensoreinrichtung zugewandten Seite. Beispielsweise kann die jeweilige Seite, also die dem Grundkörper zugewandte Oberfläche und die der wenigstens einen Sensoreinrichtung zugewandte Oberfläche, eine Beschaffenheit aufweisen, welche für ein gutes Anhaften der Ausgleichsschicht an der Außenseite des Grundkörpers einerseits und für ein gutes Anhaften der wenigstens einen Sensoreinrichtung an der Seite der Ausgleichsschicht sorgt, welche der wenigstens einen Sensoreinrichtung zugewandt ist.
  • Die Ausgleichsschicht kann bezüglich ihrer Oberflächeneigenschaften insbesondere auf das Material des Grundkörpers einerseits und das Material der Sensoreinrichtung andererseits abgestimmt sein, insbesondere im Hinblick auf das Anhaften an dem jeweiligen Material. So kann eine sehr gute Verbindung der Sensoreinrichtung mit dem Grundkörper durch die Ausgleichsschicht sichergestellt werden.
  • Der Verbund, welcher die Ausgleichsschicht und die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfasst, kann vollflächig an der Außenseite des Grundkörpers angeordnet sein, also die Außenseite des Grundkörpers zumindest nahezu vollflächig oder vollständig bedecken.
  • Zum Erfassen von Veränderungen des Zustands des Grundkörpers ist jedoch auch ein die Ausgleichsschicht und die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfassender Verbund geeignet, welcher lediglich an einem Teilbereich der Außenseite des Grundkörpers angebracht ist.
  • Vorzugsweise ist daher ein die Ausgleichsschicht und die wenigstens eine Sensoreinrichtung umfassender Verbund als Streifen ausgebildet. So lässt sich mit besonders geringem Aufwand über einen vergleichsweise langen Teilbereich des Grundkörpers hinweg eine Veränderung des Zustands des Grundkörpers erfassen.
  • Bei einem Drucktank, bei welchem der Grundkörper als Zylinder mit einer axialen Länge ausgebildet ist, welche größer ist als ein Durchmesser des Zylinders, kann der Streifen in Längsrichtung beziehungsweise in die axiale Richtung verlaufend oder schräg zu der axialen Richtung beziehungsweise Längsrichtung verlaufend an der Außenseite des Grundkörpers angeordnet sein.
  • Im Hinblick auf den Aufwand und den Materialeinsatz besonders günstig ist es, wenn der Streifen in Umfangsrichtung um den Grundkörper umläuft. Denn so kann eine Vielzahl von Veränderungen des Zustands des Grundkörpers auf einfache und aufwandsarme Weise erfasst werden. Insbesondere lässt sich so eine Dehnung des Grundkörpers etwa aufgrund eines Druckanstiegs im Inneren des Behältnisses besonders einfach detektieren beziehungsweise erfassen.
  • Die wenigstens eine Sensoreinrichtung kann zumindest einen Anschluss für ein leitungsgebundenes Abgreifen eines mit der zumindest einen Größe korrespondierenden Messsignals aufweisen. So lässt sich eine Kopplung mit einer Auswerteeinrichtung besonders einfach und aufwandsarm realisieren.
  • Zusätzlich oder alternativ kann die wenigstens eine Sensoreinrichtung eine Übertragungseinrichtung zum drahtlosen Übertragen eines mit der zumindest einen Größe korrespondierenden Messsignals aufweisen. Dadurch kann der Aufwand zum elektrischen Isolieren eines Anschlusses der Sensoreinrichtung entfallen. Des Weiteren entfällt bei einer zum drahtlosen Übertragen des Messsignals ausgebildeten Übertragungseinrichtung der mit dem Verlegen von Leitungen verbundene Aufwand. Insbesondere kann die Übertragungseinrichtung als RFID-Chip ausgebildet sein. Die Übertragungseinrichtung, insbesondere der RFID-Chip oder RFID-Baustein, kann sehr einfach in ein den zumindest einen elektrischen Leiter aufweisendes Material, insbesondere Folienmaterial, einlaminiert werden. Dann ist die Übertragungseinrichtung zugleich gut zur Umgebung hin geschützt. Die Übertragungseinrichtung kann insbesondere wenigstens einen Kondensator und/oder wenigstens eine Leiterschleife umfassen.
  • Vorzugsweise weist die Ausgleichsschicht eine sehr geringe Eigensteifigkeit auf. Insbesondere kann die Ausgleichsschicht eine Zugfestigkeit von maximal 3000 MPa aufweisen. Durch eine derartige, sehr wenig steife Ausgleichsschicht lassen sich auf besonders wirkungsvolle Art und Weise Zustandsänderungen des Grundkörpers, welche auf Zustandsänderungen des in dem Behältnis aufgenommenen Brennstoffs beruhen, über die Ausgleichsschicht an die wenigstens eine Sensoreinrichtung weitergeben beziehungsweise weiterleiten und so mittels der Sensoreinrichtung erfassen.
  • Insbesondere kann die Ausgleichsschicht aus Kunststoff gebildet sein, beispielsweise aus einem Kunststoffschaum. Wenn die Ausgleichsschicht durch ein Schaummaterial, insbesondere durch den Kunststoffschaum, bereitgestellt ist, so lassen sich besonders einfach auch größere Erhebungen beziehungsweise Vertiefungen, insbesondere Einfallstellen oder dergleichen Unebenheiten ausgleichen.
  • Wenn der Grundkörper aus Metall gebildet ist, können die Unebenheiten insbesondere durch Schweißnähte oder dergleichen gebildet sein. Derartige Unebenheiten lassen sich leicht mittels der Ausgleichsschicht ausgleichen.
  • Im Hinblick auf ein geringes Gewicht des Drucktanks ist es vorteilhaft, wenn der Grundkörper zumindest überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist. In diesem Fall können die Unebenheiten oder Unregelmäßigkeiten durch Einfallstellen in einem Matrixmaterial, insbesondere in einem Harz, des faserverstärkten Kunststoffs und/oder an Stellen mit hohem Faseranteil durch Erhebungen gebildet sein. Auch derartige Unregelmäßigkeiten beziehungsweise Unebenheiten lassen sich durch die Ausgleichsschicht einfach und zuverlässig ausgleichen.
  • Das erfindungsgemäße System zum Überwachen eines Drucktanks umfasst wenigstens einen erfindungsgemäßen Drucktank. Eine Auswerteeinrichtung des Systems ist zum Auswerten der zumindest einen mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung erfassbaren Größe vorgesehen. Die Auswerteeinrichtung kann als Steuergerät, insbesondere als elektronisches Steuergerät, oder dergleichen ausgebildet sein.
  • Die, insbesondere elektronische, Auswerteeinrichtung, welche zum Erfassen von Messsignalen der wenigstens einen Sensoreinrichtung ausgebildet ist, kann insbesondere eine Anisotropie der Ausgleichsschicht berücksichtigen. Wenn also die Ausgleichsschicht anisotrop ausgebildet ist, kann mittels der Auswerteeinrichtung, beispielsweise durch Heranziehen einer Korrelationsgleichung, das mittels der Sensoreinrichtung erfasste Messsignal umgerechnet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Hauptdehnung des Grundkörpers in die tatsächlich gegebene Richtung und um den tatsächlich gegebenen Betrag anhand des Messsignals ermittelt werden. Folglich kann sehr einfach eine direkte Zustandsüberwachung des Drucktanks bewerkstelligt werden.
  • Insbesondere wenn ein Betrag und/oder eine Hauptrichtung beispielsweise einer Dehnung des Grundkörpers aufgrund der anisotropen Eigenschaften der Ausgleichsschicht von dem Betrag und/oder der Hauptrichtung verschieden ist, welche mittels der Sensoreinrichtung erfasst werden, kann eine entsprechende Korrelation bei einem Kalibrieren der Auswerteeinrichtung ermittelt werden. Vorzugsweise erfolgt dies vor einer Inbetriebnahme des Systems.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist wenigstens einen erfindungsgemäßen Drucktank oder ein erfindungsgemäßes System auf.
  • Vorzugsweise ist eine Warneinrichtung des Kraftfahrzeugs zum Ausgeben einer Warnung in Abhängigkeit von dem Zustand des Grundkörpers des wenigstens einen Drucktanks ausgebildet. Dementsprechend kann bei einem Fehler beziehungsweise einer Abweichung des Zustands des Grundkörpers von einem vorbestimmten Zustand frühzeitig gewarnt werden, und es lassen sich rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen.
  • Beispielsweise kann die Warnung zum Inhalt haben, dass eine zu große Menge an Brennstoff in das Behältnis eingebracht wurde oder dass in dem Behältnis und/oder in der Umgebung des Drucktanks eine unerwünscht große Hitze herrscht. In letzterem Fall kann als Gegenmaßnahme ein Kühlen des Drucktanks oder ein Verbringen des Drucktanks in eine kühlere Umgebung vorgenommen werden. Des Weiteren kann etwa bei einer kritischen Deformation des Grundkörpers Brennstoff aus dem Drucktank abgelassen werden, um ein Bersten des Drucktanks zu vermeiden.
  • Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Drucktanks beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs hier nicht noch einmal beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
  • Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
  • Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
    • Fig. 1
    ausschnittsweise einen aus faserverstärktem Kunststoff gebildeten Grundkörper eines Drucktanks;
    Fig. 2
    schematisch eine Sensoreinrichtung in Form eines Dehnungsmessstreifens, welcher einen auf eine Folie gedruckten elektrischen Leiter umfasst;
    Fig. 3
    stark schematisiert und in einer Schnittansicht den Drucktank, welcher außenseitig mit einer auf einer Ausgleichsschicht angeordneten Sensoreinrichtung versehen ist;
    Fig. 4
    schematisch einen vergrößerten Ausschnitt des Drucktanks gemäß Fig. 3;
    Fig. 5
    schematisch ein System zum Überwachen des Drucktanks gemäß Fig. 3; und
    Fig. 6
    ein Kraftfahrzeug mit dem System gemäß Fig. 5.
  • Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
  • Von einem Druckbehälter oder Drucktank 10, welcher in Fig. 3 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt ist, ist in Fig. 1 ein nach Art eines länglichen Zylinders ausgebildeter Grundkörper 12 ausschnittsweise und perspektivisch gezeigt. Der Grundkörper 12 ist hierbei aus faserverstärktem Kunststoff gebildet. Die nachfolgenden Ausführungen haben jedoch auch für einen Drucktank 10 oder Druckbehälter Gültigkeit, bei welchem der Grundkörper 12 aus Metall wie etwa aus Aluminium oder aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, oder dergleichen gefertigt ist. Durch den Grundkörper 12 ist ein Behältnis gebildet, in welchem ein komprimierter Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff in flüssigem oder in komprimiertem, gasförmigem Zustand aufgenommen beziehungsweise gespeichert werden kann. Der Drucktank 10 kann jedoch auch zum Speichern anderer komprimierter Brennstoffe verwendet werden, beispielsweise zum Speichern von Flüssiggas (LPG, Liquefied Petroleum Gas), von Flüssigerdgas (LNG, Liquefied Natural Gas) oder von komprimiertem Erdgas (CNG, Compressed Natural Gas).
  • Bei einem derartigen Drucktank 10 ist man bestrebt jederzeit in Erfahrung zu bringen, in welchem Zustand sich der Grundkörper 12 befindet. So kann zeitnah reagiert werden, wenn beispielsweise im Inneren beziehungsweise in einem Innenraum 14 des Drucktanks 10 (vergleiche Fig. 3) ein derart hoher Druck vorliegt, dass es zu einer starken Verformung oder gar zu einer Leckage des Grundkörpers 12 kommen kann. Des Weiteren können Einflüsse von außen wie etwa eine Druckbeaufschlagung des Drucktanks 10 aufgrund eines Aufpralls auf einen Gegenstand oder dergleichen zu einer Beeinträchtigung oder Schädigung des Grundkörpers 12 führen. Dies gilt insbesondere, wenn ein Kraftfahrzeug 16 (vergleiche Fig. 6), in welchem der Drucktank 10 angeordnet ist, in einen Unfall verwickelt ist.
  • Vorliegend ist der Drucktank 10 zum Zwecke des Überwachens des Zustands des Grundkörpers 12 mit wenigstens einer Sensoreinrichtung ausgestattet, wie sie beispielhaft und schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. Demgemäß kann die Sensoreinrichtung als Dehnungsmessstreifen 18 ausgebildet sein. Der Dehnungsmessstreifen 18 umfasst gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 2 wenigstens einen Leiter 20 aus einem elektrisch leitfähigen Material, welcher auf einen Träger wie etwa eine Folie 22 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt, sein kann. Über Anschlüsse 24 kann die durch den Leiter 20 gebildete Leiterschleife beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden. Bei einer Verformung des Leiters 20 ändert sich der elektrische Widerstand des Leiters 20, sodass in Abhängigkeit vom elektrischen Widerstand auf eine Dehnung oder Stauchung eines Körpers geschlossen werden kann, an welchem der Dehnungsmessstreifen 18 oder eine derartige Sensoreinrichtung angeordnet ist. Der Dehnungsmessstreifen 18 kann auch eine Mehrzahl derartiger Leiter 20 aufweisen.
  • Gemäß Fig. 1 weist der Grundkörper 12 eine Außenseite 26 auf, also eine der Umgebung des Drucktanks 10 zugewandte Seite. Demgegenüber ist eine Innenseite 28 des Grundkörpers 12 dem Innenraum 14 zugewandt, in welchem sich nach einem Befüllen des Drucktanks 10 mit dem Brennstoff der Brennstoff befindet (vergleiche Fig. 3). Zur Sicherstellung einer ausreichenden Dichtigkeit kann der Grundkörper 12 an der Innenseite 28 mit einer vorliegend nicht näher gezeigten Auskleidung versehen sein, welche auch als Liner bezeichnet wird.
  • Es ist zweckmäßig, wenn mittels der Sensoreinrichtung einerseits Zustandsänderungen des Grundkörpers 12 erfasst werden können, welche auf Vorgängen im Innenraum 14 des Drucktanks 10 zurückzuführen sind. Bei solchen Vorgängen kann es sich um Änderungen des Drucks und/oder der Temperatur im Innenraum 14 des Drucktanks 10 handeln, insbesondere um einen Druckanstieg und/oder um einen Temperaturanstieg. Derartige Vorgänge können nämlich zu einer Dehnung des Grundkörpers 12 führen, welche mittels des Dehnungsmessstreifens 18 erfasst werden kann. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn mittels des Dehnungsmessstreifens 18 auch Zustandsänderungen des Grundkörpers 12 erfasst werden können, welche aus Einwirkungen auf den Grundkörper 12 von außen, also von der Außenseite 26 her resultieren.
  • Vorliegend ist daher die Sensoreinrichtung in Form der bereichsweise elektrisch leitfähigen Folie 22 außenseitig an dem Grundkörper 12 angeordnet. Hierbei befindet sich die Folie 22 jedoch nicht in direktem Kontakt mit der Außenseite 26. Vielmehr ist zwischen der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 und der Folie 22 mit dem elektrischen Leiter 20, durch welche die wenigstens eine Sensoreinrichtung bereitgestellt ist, eine Grenzschicht beziehungsweise Zwischenschicht oder Ausgleichsschicht 30 angeordnet. Dies geht insbesondere aus der vergrößerten Schnittansicht eines Ausschnitts des Drucktanks 10 in Fig. 4 gut hervor.
  • Die Ausgleichsschicht 30 hat eine Mehrzahl von Funktionen. Zum einen können an der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 Unebenheiten beziehungsweise Unregelmäßigkeiten ausgebildet sein, wie dies schematisch in Fig. 4 gezeigt ist. Bei Ausbildung des Grundkörpers 12 aus faserverstärktem Kunststoff können diese Unebenheiten durch Erhebungen an Stellen gebildet sein, an welchen ein hoher Faseranteil vorliegt, und beispielsweise durch sogenannte Einfallstellen oder Einbuchtungen in Bereichen des faserverstärkten Kunststoffmaterials, in welchen ein hoher Matrixanteil, also etwa ein hoher Anteil an ausgehärtetem Harz vorliegt. Das Vorhandensein derartiger Unebenheiten würde es schwierig machen, die Folie 22 in flächige Anlage mit der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 zu bringen.
  • Vorliegend ist die Ausgleichsschicht 30 jedoch dazu ausgebildet, Unebenheiten der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 beziehungsweise an der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 vorhandene Unebenheiten zumindest im Bereich der Folie 22 und somit der Sensoreinrichtung etwa in Form des Dehnungsmessstreifens 18 auszugleichen. Somit ist sichergestellt, dass die Folie 22 flächig an der Ausgleichsschicht 30 anliegt. Jegliche Veränderung der Form des Grundkörpers 12 wird folglich über die Ausgleichsschicht 30 an die Folie 22 der Sensoreinrichtung, vorliegend also des Dehnungsmessstreifens 18 weitergegeben.
  • Die Ausgleichsschicht 30 dient also auch zur Weitergabe beziehungsweise zum Transport von Informationen über den Zustand des Grundkörpers 12. Denn Änderungen der Gestalt des Grundkörpers 12, welche auf Vorgängen im Innenraum 14 des Drucktanks 10 beruhen, werden über die Ausgleichsschicht 30 an die Sensoreinrichtung weitergegeben beziehungsweise weitergeleitet.
  • Darüber hinaus dient die Ausgleichsschicht 30 als Trägermaterial für die Sensoreinrichtung. Durch dieses Trägermaterial ist ein Anhaften eines Verbunds an der Außenseite 26 des Grundkörpers 12 bewirkt, wobei der Verbund die Ausgleichsschicht 30 und die Sensoreinrichtung umfasst.
  • Es kann vorgesehen sein, dass über die Ausgleichsschicht 30 eine Wärmeleitung aus dem Innenraum 14 hin zu der Sensoreinrichtung erfolgt. Auf diese Weise können auch Änderungen einer Temperatur in dem Innenraum 14 des Drucktanks 10 erfasst werden.
  • Die Schicht oder Folie 22, welche durch das Vorsehen des elektrischen Leiters 20 bereichsweise elektrisch leitfähig ist, ist gemäß Fig. 4 an einer dem Grundkörper 12 abgewandten Oberseite 32 mit einer Schutzschicht 34 aus einem elektrisch isolierenden Material versehen. Dadurch ist ein mechanischer Schutz für den Leiter 20 der Sensoreinrichtung bereitgestellt.
  • Mittels der Ausgleichsschicht 30 wird somit die elektrisch leitfähige Schicht in Form der Sensoreinrichtung auf den Grundkörper 12 des Drucktanks 10 beziehungsweise einer derartigen Gasflasche geklebt. Da die Grenzschicht oder Ausgleichsschicht 30 einerseits der Anhaftung dient und andererseits der Weiterleitung von Einflüssen aus dem Inneren des Drucktanks 10 an die im Bereich des Leiters 20 elektrisch leitfähige Folie 22, können Rückschlüsse auf den Zustand des Grundkörpers 12 gezogen werden.
  • Des Weiteren ist es möglich, eine Verformung des Grundkörpers 12, welche auf eine Einwirkung auf den Grundkörper 12 von der Außenseite 26 her zurückzuführen ist, über die an der Ausgleichsschicht 30 flächig anliegende Sensoreinrichtung etwa in Form des Dehnungsmessstreifens 18 zu erfassen. Durch den direkten Kontakt der Folie 22 mit der Ausgleichsschicht 30 können auf derartigen Deformationen des Grundkörpers 12 beruhende Informationen ohne Verzerrungen des Ergebnisses erfasst werden.
  • Die bereichsweise elektrisch leitfähige Schicht in Form der den Leiter 20 aufweisenden Folie 22 beziehungsweise ein derartiges Sensorlaminat kann vollflächig auf den Grundkörper 12 aufgebracht sein. Zum Erfassen von Verformungen des Grundkörpers 12 ist es jedoch ausreichend, ein derartiges Sensorlaminat lediglich an einem Teil des Grundkörpers 12 anzubringen, etwa indem der Verbund, welcher die Ausgleichsschicht 30 und die Sensoreinrichtung umfasst, als Streifen ausgebildet ist.
  • Ein solcher Streifen kann insbesondere in Umfangsrichtung, welche in Fig. 3 durch einen Pfeil 36 veranschaulicht ist, um den Grundkörper 12 umlaufen. Der wenigstens eine Streifen kann sich jedoch auch in axialer Richtung, welche in Fig. 1 durch einen weiteren Pfeil 38 veranschaulicht ist, entlang des Grundkörpers 12 erstrecken.
  • Von ihren Eigenschaften her kann die Ausgleichsschicht 30 an den oberflächenstrukturierten Grundkörper 12 angepasst sein, etwa im Hinblick auf das Anhaften an dem Grundkörper 12, im Hinblick auf die Größe der Unebenheiten und dergleichen. Die Grenzschicht oder Ausgleichsschicht 30 übernimmt nämlich einerseits die Aufgabe des Toleranzausgleichs zwischen dem oberflächenstrukturierten Grundkörper 12 und der zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Schicht in Form der Sensoreinrichtung.
  • Die Weitergabe von Dehnungen des Grundkörpers 12 über die Grenzschicht oder Ausgleichsschicht 30 an die Sensoreinrichtung beziehungsweise das Sensorlaminat kann auch deswegen von der Ausgleichsschicht 30 gut erfüllt werden, weil die Ausgleichsschicht 30 vorzugsweise eine sehr geringe Eigensteifigkeit aufweist. Insbesondere kann die maximale Steifigkeit der Ausgleichsschicht 30 bei etwa 3000 MPa liegen. Als Materialien zum Bereitstellen der Ausgleichsschicht 30, welche eine derartig geringe Steifigkeit insbesondere im Hinblick auf eine Zugbelastung aufweisen, kommen Kunststoffmaterialien, insbesondere in Form von aus Kunststoff gebildeten Schäumen oder dergleichen in Betracht.
  • In Fig. 5 ist schematisch ein System 40 gezeigt, welches zusätzlich zu der Sensoreinrichtung eine Auswerteeinrichtung 42 umfasst. Die Auswerteeinrichtung 42 dient dem Auswerten von Größen, welche mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung etwa in Form des Dehnungsmessstreifens 18 erfasst werden können.
  • In Fig. 5 ist lediglich schematisch gezeigt, wie die bereichsweise elektrisch leitfähige Folie 22 mit der Auswerteeinrichtung 42 gekoppelt ist, welche beispielsweise in dem Kraftfahrzeug 16 (vergleiche Fig. 6) angeordnet sein kann. Hierbei kann die Auswerteeinrichtung 42 mit den Anschlüssen 24 (vergleiche Fig. 2) über eine Leitung verbunden sein. Des Weiteren ist es möglich, Messsignale, welche mit den von der Sensoreinrichtung erfassbaren Größen korrespondieren, drahtlos an die Auswerteeinrichtung 42 zu übertragen.
  • Eine entsprechende Übertragungseinrichtung zum drahtlosen Übertragen von Messsignalen kann beispielsweise als RFID-Chip 44 ausgebildet sein, welcher in Fig. 5 schematisch gezeigt ist. Über den RFID-Chip 44 können somit Sensorsignale kabellos an die Auswerteeinrichtung 42 beziehungsweise an eine übergeordnete Kontrolleinrichtung des Systems 40 übertragen werden.
  • Wie in Fig. 6 schematisch gezeigt, kann das System 40 insbesondere in dem Kraftfahrzeug 16 angeordnet sein. So kann der wenigstens eine Drucktank 10 des Systems 40, welcher sich in dem Kraftfahrzeug 16 befindet, im Hinblick auf den Zustand des Grundkörpers 12 überwacht werden. Das Kraftfahrzeug 16 kann eine Warneinrichtung 46 aufweisen, welche zum Ausgeben einer Warnung in Abhängigkeit von dem Zustand des Grundkörpers 12 des Drucktanks 10 ausgebildet ist.
  • Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung ein externes und internes Condition Monitoring beziehungsweise Zustandsmonitoring von Gasflaschen oder dergleichen Druckbehältern beziehungsweise Drucktanks 10 bereitgestellt werden kann.

Claims (10)

  1. Drucktank, insbesondere für ein Kraftfahrzeug (16), welcher zum Speichern eines komprimierten Brennstoffs ausgebildet ist, mit einem Grundkörper (12), durch welchen ein Behältnis zum Aufnehmen des Brennstoffs gebildet ist, und mit wenigstens einer zumindest einen elektrischen Leiter (20) umfassenden Sensoreinrichtung (18) zum Erfassen zumindest einer Größe, welche ein Rückschließen auf einen Zustand des Grundkörpers (12) zulässt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zwischen der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) und einer Außenseite (26) des Grundkörpers (12) eine Ausgleichsschicht (30) angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei einem Vorhandensein von Unebenheiten an der Außenseite (26) des Grundkörpers (12) die Unebenheiten zumindest im Bereich der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) auszugleichen.
  2. Drucktank nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausgleichsschicht (30) eine größere Dicke aufweist als die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) und/oder die Ausgleichsschicht (30) anisotrop ausgebildet ist, wobei eine Verformung der Ausgleichsschicht (30) auf einer dem Grundkörper (12) zugewandten Seite der Ausgleichsschicht (30) um einen ersten Betrag eine Verformung der Ausgleichsschicht (30) auf einer der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) zugewandten Seite der Ausgleichsschicht (30) um einen zweiten Betrag bewirkt, welcher größer ist als der erste Betrag.
  3. Drucktank nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Hauptrichtung der Verformung der Ausgleichsschicht (30) um den ersten Betrag von einer Hauptrichtung der Verformung der Ausgleichsschicht (30) um den zweiten Betrag verschieden ist.
  4. Drucktank nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) an einer dem Grundkörper (12) abgewandten Oberseite (32) eine Schutzschicht (34) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist.
  5. Drucktank nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausgleichsschicht (30) als Trägermaterial für die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) ausgebildet ist, durch welches ein Anhaften eines die Ausgleichsschicht (30) und die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) umfassenden Verbunds an der Außenseite (26) des Grundkörpers (12) bewirkt ist.
  6. Drucktank nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein die Ausgleichsschicht (30) und die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) umfassender Verbund als, insbesondere in Umfangsrichtung (36) um den Grundkörper (12) umlaufender, Streifen ausgebildet ist.
  7. Drucktank nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) zumindest einen Anschluss (24) für ein leitungsgebundenes Abgreifen eines mit der zumindest einen Größe korrespondierenden Messsignals aufweist und/oder die wenigstens eine Sensoreinrichtung (18) eine Übertragungseinrichtung (44) zum drahtlosen Übertragen eines mit der zumindest einen Größe korrespondierenden Messsignals aufweist.
  8. Drucktank nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die, insbesondere aus Kunststoff gebildete, Ausgleichsschicht (30) eine Zugfestigkeit von maximal 3000 MPa aufweist und/oder der Grundkörper (12) zumindest überwiegend aus faserverstärktem Kunststoff gebildet ist.
  9. System zum Überwachen eines Drucktanks (10), mit wenigstens einem Drucktank (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und mit einer Auswerteeinrichtung (42) zum Auswerten der zumindest einen mittels der wenigstens einen Sensoreinrichtung (18) erfassbaren Größe.
  10. Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Drucktank (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder mit einem System (40) nach Anspruch 9, wobei wenigstens eine Warneinrichtung des Kraftfahrzeugs (16) zum Ausgeben einer Warnung in Abhängigkeit von dem Zustand des Grundkörpers (12) des wenigstens einen Drucktanks (10) ausgebildet ist.
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